초안:다운포스
다운포스는 차량의 공기역학적 특징에 의해 생성되는 하향 양력입니다. 차량이 자동차인 경우 다운포스의 목적은 타이어에 가해지는 수직력을 증가시켜 자동차가 더 빨리 이동할 수 있도록 하여 더 많은 그립을 생성하는 것이다. 차량이 고정익 항공기인 경우 수평 스태빌라이저에 대한 다운포스의 목적은 종방향 안정성을 유지하고 조종사가 항공기를 피치로 제어할 수 있도록 하는 것이다.
기본원칙
비행기가 날개에서 양력을 만들어 지상에서 떠오르게 하는 원리와 같은 원리가 역으로 사용되어 경주용 자동차를 트랙 표면에 밀어내는 힘을 가합니다. 이 효과를 "공기역학적 그립"이라고 하며 자동차의 질량, 타이어 및 서스펜션의 기능인 "기계적 그립"과 구별된다. 수동 장치에 의한 다운포스의 생성은 증가된 공기역학적 항력(또는 마찰)의 비용으로만 달성될 수 있으며, 최적의 설정은 거의 항상 둘 사이의 타협이다.
자동차의 공기역학적 설정은 직선 길이와 코너의 종류에 따라 경주 트랙마다 상당히 달라질 수 있습니다. 다운포스는 자동차 위와 아래의 공기 흐름의 함수이기 때문에 자동차 속도의 제곱에 따라 증가하며 상당한 효과를 내기 위해서는 일정한 최소 속도가 필요하다. 일부 자동차는 다소 불안정한 공기역학을 가지고 있어 받음각이나 차량 높이의 작은 변화가 다운포스에 큰 변화를 일으킬 수 있다. 최악의 경우 이것은 차가 힘이 아니라 리프트를 경험하게 할 수 있습니다. 예를 들어, 트랙의 범프를 지나거나 마루 위로 미끄러지는 것처럼 말입니다. 이것은 1999년 르망 24시간에서 마크 웨버와 피터 덤브렉의 메르세데스-벤츠 CLR과 같이 몇 가지 재앙적인 결과를 초래할 수 있습니다. 이는 경쟁 차를 험프 위로 바짝 따라간 후 화려하게 뒤집혔습니다.
레이싱카의 두 가지 주요 구성 요소는 자동차가 레이싱 속도로 이동할 때 다운포스를 생성하는 데 사용할 수 있습니다.
- 몸의 형태와
- 에어포일의 사용.
대부분의 경주 공식에는 피트 스톱을 제외하고 경주 중에 조정할 수 있는 공기역학적 장치에 대한 금지가 있습니다.
날개가 가하는 힘은 보통 양력 계수의 함수로 표현된다:
어디서:
- F is downforce (SI unit: newtons)
- CL is the lift coefficient
- ρ is air density (SI unit: kg/m3)
- v is velocity (SI unit: m/s)
- A는 날개의 면적(SI 단위:m2의 제곱)으로 CL의 상단 날개 면적 기준을 사용하면 날개 길이와 화음에 따라 다르고, 전두 면적 기준을 사용하면 날개의 날개 길이와 두께에 따라 다르다.
작동 조건의 특정 범위에서 날개가 정지되지 않을 때 양력 계수는 일정한 값을 갖는다. 다운포스는 공속의 제곱에 비례한다.
공기역학에서는 양력 계수를 정의하기 위해 날개의 상부 시야 투영 영역을 기준 표면으로 사용하는 것이 일반적이다.
바디
자동차 상단의 둥글고 테이퍼진 모양은 공기를 자르고 내풍을 최소화하도록 설계되었습니다. 자동차 상단의 자세한 차체 조각을 추가하여 공기의 부드러운 흐름이 다운포스 생성 요소(예: 날개 또는 스포일러, 언더바디 터널)에 도달할 수 있도록 할 수 있습니다.
자동차의 전체적인 모양은 비행기 날개와 비슷하다. 거의 모든 도로 자동차는 이 모양으로 인해 공기역학적 양력을 생성한다. 이 양력의 균형을 맞추기 위해 사용되는 많은 기술이 있다. 대부분의 도로 자동차 프로필을 보면, 앞 범퍼의 지면 간격이 가장 낮고 앞 타이어와 뒷 타이어 사이의 구간이 그 뒤를 이으며, 그 다음으로 보통 가장 높은 간격을 보인다. 이 레이아웃을 사용하면 앞 범퍼 아래로 흐르는 공기가 단면적이 더 낮아져 압력이 낮아진다. 추가적인 하강력은 차량 본체의 갈퀴(또는 각도)에서 발생하며, 이는 하부 공기를 위쪽으로 향하게 하고 아래쪽 힘을 생성하여 공기 흐름 방향이 표면에 수직으로 가까워지기 때문에 차량 상단의 압력을 증가시킨다.
부피는 일반적인 오해에도 불구하고 밀폐된 부피가 아니기 때문에 기압에 영향을 미치지 않는다. 경주차는 후방 디퓨저를 추가하여 디퓨저 앞의 차 아래의 공기를 가속하고 뒤의 기압을 상승시켜 차의 후류를 감소시킴으로써 이러한 효과를 증폭시킨다. 다운포스를 개선하고 항력을 감소시키기 위해 아래쪽에서 찾을 수 있는 다른 공기역학적 구성요소는 스플리터와 와류 발생기를 포함한다.
델타윙과 같은 일부 자동차는 날개가 없어서 몸을 통해 모든 힘을 생성합니다.
에어 포일
자동차의 날개나 스포일러가 만들어내는 다운포스의 크기는 주로 세 가지에 달려 있습니다:
- 장치의 표면적, 종횡비 및 단면을 포함한 형상은,
- 장치의 방향(또는 받음각)과
- 차량의 속도.
더 큰 표면적은 더 큰 다운포스와 더 큰 항력을 생성합니다. 종횡비는 날개 폭을 화음으로 나눈 값입니다. 날개가 직사각형이 아닌 경우 종횡비는 AR=b2/s로 작성되며, 여기서 AR=종횡비, b=span 및 s=wing 면적이다. 또한 날개나 스포일러의 더 큰 받음각(또는 기울기)은 더 많은 다운포스를 생성하여 뒷바퀴에 더 많은 압력을 가하고 더 많은 항력을 생성한다.
프론트
자동차 앞부분에 있는 에어포일의 기능은 이중입니다. 그들은 전방 타이어의 그립을 향상시키는 다운포스를 생성하는 동시에 나머지 차로의 공기의 흐름을 최적화(또는 방해를 최소화)합니다. 오픈 휠 자동차의 앞 날개는 인종에서 인종으로 데이터가 수집됨에 따라 지속적으로 수정되며 특정 회로의 모든 특성에 맞게 맞춤화된다(위 사진 참조). 대부분의 시리즈에서 날개는 자동차가 서비스될 때 경주 자체 동안 조정을 위해 설계되기도 합니다.
리어
자동차 후면의 공기 흐름은 앞날개, 앞바퀴, 거울, 운전석 헬멧, 사이드 포드 및 배기 장치의 영향을 받습니다. 이로 인해 뒷날개는 앞날개보다 공기역학적으로 덜 효율적이지만 자동차의 균형을 유지하기 위해 핸들링을 유지하기 위해 앞날개보다 2배 이상 많은 다운포스를 생성해야 하기 때문에 뒷날개는 일반적으로 훨씬 더 큰 종횡비를 가지며 종종 생성된 다운포스의 양을 합성하기 위해 두 개 이상의 요소를 사용한다(왼쪽 사진 참조). 앞 날개와 마찬가지로 이러한 요소 각각은 종종 자동차가 서비스될 때, 경주 전 또는 심지어 경주 중에 조정될 수 있으며 지속적인 주의와 수정의 대상이다.
특이한 곳에서 날개를
부분적으로 F1 자동차의 앞뒤 날개에서 다운포스를 줄이기 위한 규칙의 결과로 여러 팀이 날개를 배치할 다른 장소를 찾으려고 했다. 자동차 사이드포드의 뒤쪽에 장착된 작은 날개는 1994년 중반에 나타나기 시작했고 2009년에 그러한 모든 장치가 불법화될 때까지 이러저러한 형태로 모든 F1 자동차에 사실상 표준이었다. 다른 날개들은 자동차의 다른 여러 곳에서 생겨났지만, 이러한 변형들은 보통 다운포스가 가장 많이 찾는 서킷, 특히 꼬인 헝가리와 모나코 경기장에서만 사용된다.
참고
- Bernoulli's principle
- Body kit
- Formula One car
- Grip (auto racing)
- Ground effect in cars
- Lift (force)
- Wind tunnel
추가 읽기
- Simon McBeath, Competition Car Downforce: A Practical Handbook, SAE International, 2000, 틀:ISBN
- Simon McBeath, Competition Car Aerodynamics, Sparkford, Haynes, 2006
- Enrico Benzing, Ali / Wings. Progettazione e applicazione su auto da corsa. Their design and application to racing car, Milano, Nada, 2012. Bilingual (Italian-English)